|
Wien (tu) - Computerprogramm oder lebendiges Wesen? An der TU Wien verschwimmt die Grenze: Das Nervensystem
eines Fadenwurms wurde in Computercode übersetzt – und so gelang es, einem virtuellen Wurm Kunststücke
beizubringen. Eigentlich sieht er ziemlich unspektakulär aus, der Fadenwurm C. elegans. Er ist etwa einen
Millimeter lang und sehr einfach gebaut. Doch für die Wissenschaft ist er extrem interessant: C. elegans ist
das einzige Lebewesen, dessen Nervensystem so einfach ist, dass man es vollständig analysieren konnte. Es
kann als Schaltplan aufgezeichnet oder in einem Computerprogramm nachgebildet werden. Die Nervenaktivität
des Tieres lässt sich somit eins zu eins auf den Computer übertragen.
Einen solchen künstlichen C. elegans hat man nun an der TU Wien gezielt trainiert um ihm ein Kunststück
beizubringen: Der Computer-Wurm lernte, einen Stab auf seiner Schwanzspitze zu balancieren.
Die Reflex-Systeme des Wurms als Computercode
Mit knapp über 300 Nervenzellen muss der Fadenwurm auskommen – das genügt ihm, um sich in seiner Umwelt
zurechtzufinden, Bakterien zu fressen und auf gewisse äußere Impulse zu reagieren. So spürt C.
elegans etwa, wenn er auf ein Hindernis stößt, und schlängelt sich reflexartig in eine andere Richtung
davon.
Warum er das tut, lässt sich genau erklären: Sein Verhalten wird durch seine Nervenzellen und die Stärke
der Verbindungen zwischen ihnen festgelegt. Wenn man dieses einfache Reflex-Netzwerk des Wurms am Computer nachbildet,
dann reagiert der computersimulierte Wurm genauso auf den Zusammenstoß mit einem virtuellen Hindernis. Nicht,
weil man es ihm einprogrammiert hätte, sondern weil dieses Verhalten von vornherein fest in sein neuronales
Netz eingebaut ist.
„Die Aufgabe, die der Wurm mit diesem einfachen Schaltkreis löst, hat eine starke Ähnlichkeit mit einem
klassischen Problem aus der Technik – dem Balancieren eines Stabs“, sagt Ramin Hasani vom Institut für Technische
Informatik der TU Wien. Dabei handelt es sich um eine ganz typische Aufgabe, die ein computergesteuerter Controller
normalerweise gut bewältigen kann: Ein Stab wird am unteren Ende festgehalten, und je nachdem, in welche Richtung
er zu kippen droht, führt man eine Gegenbewegung aus, um den Stab zu stabilisieren. Genau wie sich der Wurm
beim Zusammenstoß mit einer Wand reflexartig in die Gegenrichtung bewegt, muss auch der Aufhängepunkt
des Stabes beim drohenden Kippen rasch bewegt werden.
Mathias Lechner, Radu Grosu und Ramin Hasani von der TU Wien wollten wissen, ob auch das Nervensystem von C. elegans,
übertragen auf einen Computer, diese Aufgabe lösen kann – und zwar ohne zusätzliche Nervenzellen
hinzuzufügen, nur durch ein Modifizieren der Synapsenverbindungen zwischen den Nervenzellen. Genau dieses
Verändern der Synapsenstärken charakterisiert auch natürliche Lernprozesse.
Das Programm, das niemand programmiert hat
„Mit Hilfe von „bestärkendem Lernen“ (reinforcement learning), einer speziellen Methode aus dem Bereich des
maschinellen Lernens, wurde das künstliche Reflex-Netzwerk am Computer trainiert und optimiert“, erklärt
Radu Grosu. Und tatsächlich gelang es auf diese Weise, dem extrem einfachen virtuellen Nervensystem die Fähigkeit
zu verleihen, einen Stab zu balancieren. „Das Ergebnis ist ein Controller, der ein reales technisches Problem lösen
kann – nämlich das Stabilisieren eines balancierten Stabs. Doch kein Mensch hat je eine Zeile Code dieses
Controllers programmiert, er entstand einfach durch Trainieren eines biologisch entstandenen Nervensystems“, sagt
Mathias Lechner.
Die Fähigkeiten solcher Controller-Schaltkreise will das Team in Zukunft noch weiter erforschen. Jedenfalls
werfen solche Projekte die Frage auf, ob zwischen Computercode und lebendigen Nervensystemen überhaupt ein
fundamentaler Unterschied besteht. Ist maschinelles Lernen und das, was in unserem Gehirn passiert, auf fundamentaler
Ebene dasselbe? Zumindest dem unscheinbaren Fadenwurm C. elegans dürfte es herzlich egal sein, ob er mit seinem
simplen Nervensystem im Boden oder als virtueller Wurm auf unserer Computerfestplatte wohnt.
|
